2025年工程热力学考试题及答案

2025年工程热力学考试题及答案一、单项选择题（每题2分，共20分。每题只有一个正确答案，请将正确选项字母填入括号内）1.在理想气体可逆绝热过程中，若比热容比κ=1.4，则技术功与膨胀功之比为（）A.1.0  B.1.4  C.0.4  D.0.714答案：B解析：w_t/w=κ，故1.4。2.水蒸气在汽轮机内经历绝热膨胀，若入口焓h₁=3450kJ/kg，出口焓h₂=2800kJ/kg，忽略动能差，则单位质量蒸汽对外做的技术功为（）A.650kJ/kg  B.2800kJ/kg  C.3450kJ/kg  D.6250kJ/kg答案：A解析：w_t=h₁−h₂=650kJ/kg。3.对于理想气体，下列状态参数中哪一组满足ds=c_pdT/T−Rdp/p（）A.温度T与压力p  B.温度T与比容v  C.压力p与比容v  D.焓h与熵s答案：A解析：该式为理想气体熵变微分式，变量为T、p。4.卡诺热泵工作在300K与400K两热源之间，其供热系数COP_h为（）A.1.33  B.3.0  C.4.0  D.0.75答案：C解析：COP_h=T_h/(T_h−T_l)=400/100=4。5.湿空气相对湿度φ=50%，温度30℃，若饱和水蒸气分压力p_s=4.247kPa，则水蒸气分压力为（）A.8.494kPa  B.2.124kPa  C.4.247kPa  D.1.062kPa答案：B解析：p_v=φ·p_s=0.5×4.247=2.124kPa。6.理想气体绝热自由膨胀后，下列说法正确的是（）A.温度升高  B.熵不变  C.熵增加  D.焓降低答案：C解析：绝热不可逆，熵产>0，熵增加。7.水在1MPa下饱和液焓h_f=762.5kJ/kg，饱和汽焓h_g=2778kJ/kg，若某湿蒸汽干度x=0.8，则其焓值为（）A.2272kJ/kg  B.2015kJ/kg  C.2778kJ/kg  D.762.5kJ/kg答案：B解析：h=h_f+x(h_g−h_f)=762.5+0.8×2015.5=2015kJ/kg。8.理想气体在闭口系统中经历定容加热，则（）A.功为零，热量等于内能增加  B.功为负，热量等于焓增加C.功为正，热量等于内能增加  D.功为零，热量等于焓增加答案：A解析：定容过程W=0，Q=ΔU。9.提高朗肯循环热效率最有效的措施是（）A.降低冷凝压力  B.提高锅炉压力  C.提高过热温度  D.以上全部答案：D解析：三者均可提高循环平均吸热温度。10.若某系统完成一个循环后，与外界交换热量Q_net=−100kJ，则该系统对外做功为（）A.100kJ  B.−100kJ  C.0  D.无法确定答案：B解析：循环ΔU=0，Q_net=W_net，故W_net=−100kJ。二、多项选择题（每题3分，共15分。每题有两个或两个以上正确答案，多选、少选、错选均不得分）11.下列哪些过程在Ts图上表现为水平线（）A.理想气体定压过程  B.饱和水定压汽化  C.理想气体定温过程  D.饱和液定压加热答案：B、C解析：饱和区定压汽化T不变；理想气体定温过程T不变，均为水平线。12.关于逆卡诺循环，下列说法正确的是（）A.可用于制冷  B.可用于供热  C.性能系数与工质性质无关  D.性能系数仅与热源温度有关答案：A、B、C、D解析：逆卡诺循环是理想制冷/热泵循环，COP仅与热源温度有关，与工质无关。13.下列哪些措施可降低燃气轮机回热循环的排气温度（）A.提高压气机压比  B.增加回热器效能  C.提高透平入口温度  D.降低环境温度答案：B、C解析：高效回热器与更高T_3均可使排气温度下降。14.理想气体在喷管中可逆绝热膨胀，下列参数一定减小的是（）A.压力  B.温度  C.比容  D.焓答案：A、B、D解析：膨胀过程p↓、T↓、h↓，v↑。15.水蒸气hs图上，下列哪些区域是单相区（）A.过冷液区  B.过热蒸汽区  C.湿蒸汽区  D.临界点以上区域答案：A、B、D解析：湿蒸汽区为两相区。三、填空题（每空2分，共20分）16.理想气体定压比热与定容比热关系为c_p−c_v=________。答案：R17.某理想气体κ=1.3，若其初始温度300K，可逆绝热压缩至体积减半，则终温为________K。答案：300×(2)^(0.3/1.3)=300×1.231=369.3K18.水在200kPa下饱和温度为120.2℃，若某状态下水温为115℃，则其处于________液状态。答案：过冷19.卡诺热机效率为0.6，若低温热源温度为200K，则高温热源温度为________K。答案：500K（η=1−T_L/T_H⇒T_H=T_L/(1−η)=200/0.4=500）20.湿空气含湿量d=0.015kg/kg(干空气)，则对应水蒸气质量分数为________kg/kg(湿空气)。答案：0.015/(1+0.015)=0.0147821.理想气体经历n=1.2的多变压缩，若初始温度300K，终温400K，则压缩比v₁/v₂=________。答案：(T₂/T₁)^{1/(n−1)}=(400/300)^{1/0.2}=1.333^5=4.2122.朗肯循环中，若汽轮机相对内效率η_t=0.85，等熵焓降Δh_s=500kJ/kg，则实际焓降为________kJ/kg。答案：425kJ/kg23.理想气体在闭口系统中由状态1到状态2，若Q=0，W=−200kJ，则ΔU=________kJ。答案：200kJ（Q=ΔU+W⇒ΔU=200）24.水蒸气临界压力为________MPa。答案：22.06425.理想气体可逆绝热过程方程以温度与压力表示为T/p^{(κ−1)/κ}=________。答案：常数四、简答题（共25分）26.（封闭型，6分）写出稳态稳流能量方程，并说明各项物理意义。答案：稳态稳流能量方程：q−w_s=(h₂−h₁)+1/2(c₂²−c₁²)+g(z₂−z₁)各项意义：q——单位质量工质与外界交换的热量；w_s——单位质量工质对外做的轴功；Δh——焓变，代表流动功与内能变化之和；Δc²/2——动能变化；gΔz——势能变化。27.（开放型，7分）为什么实际燃气轮机循环需采用回热？请从热力学角度分析其节能机理。答案：实际燃气轮机排气温度高达400–500℃，高于压气机出口温度。回热器利用高温排气预热压缩空气，使燃烧室入口温度升高。结果：1.燃烧室需加入的热量减少，平均吸热温度升高；2.排气温度降低，向环境放热损失减少；3.循环热效率η=1−T_L_avg/T_H_avg提高。热力学本质：热量“内部回收”，减少外部热源与冷源之间温差传热带来的不可逆损失，从而降低熵产，提高第二定律效率。28.（封闭型，6分）简述“干度”定义，并给出湿蒸汽区干度对焓值的影响公式。答案：干度x=干饱和蒸汽质量/湿蒸汽总质量。湿蒸汽焓h=h_f+x(h_g−h_f)，其中h_f为饱和液焓，h_g为饱和汽焓。x越大，h越接近h_g。29.（开放型，6分）解释为何压缩蒸气制冷循环需采用节流阀而非膨胀机。答案：1.湿区膨胀：两相区膨胀机体积流量大，膨胀机设计困难、成本高；2.湿度高导致液滴冲击叶片，侵蚀严重；3.节流阀结构简单、可靠、成本低；4.虽然节流不可逆，熵产增加，但制冷量损失较小，综合经济性优于膨胀机；5.小型装置中，膨胀机回收的功有限，不足以抵消成本与维护费用。五、计算与分析题（共70分）30.（综合计算，15分）某理想气体（R=0.287kJ/(kg·K)，κ=1.4）在闭口系统中由状态1（p₁=0.1MPa，T₁=300K，V₁=0.8m³）经可逆绝热压缩至状态2（V₂=0.1m³）。求：(1)终态压力p₂、温度T₂；(2)过程功W；(3)熵变ΔS。答案：(1)p₂=p₁(V₁/V₂)^κ=0.1×(8)^1.4=1.839MPaT₂=T₁(V₁/V₂)^{κ−1}=300×8^0.4=300×2.297=689.1K(2)质量m=p₁V₁/(RT₁)=0.1×10³×0.8/(0.287×300)=0.929kgW=−ΔU=−mc_v(T₂−T₁)c_v=R/(κ−1)=0.287/0.4=0.7175kJ/(kg·K)W=−0.929×0.7175×(689.1−300)=−0.929×0.7175×389.1=−259kJ(3)可逆绝热，ΔS=0。31.（朗肯循环，15分）某蒸汽动力厂按理想朗肯循环运行，参数如下：锅炉出口p₃=10MPa，t₃=550℃；冷凝器p₄=10kPa。忽略泵功。求：(1)汽轮机出口干度x₄；(2)循环热效率η；(3)若汽轮机相对内效率η_t=0.85，求实际循环效率。答案：查表得：h₃=3500kJ/kg，s₃=6.756kJ/(kg·K)p₄=10kPa：s_f=0.649kJ/(kg·K)，s_g=8.150kJ/(kg·K)，h_f=191.8kJ/kg，h_g=2584kJ/kg(1)s₄=s₃=6.756=s_f+x₄(s_g−s_f)x₄=(6.756−0.649)/(8.150−0.649)=6.107/7.501=0.814h₄=h_f+x₄(h_g−h_f)=191.8+0.814×2392.2=2138kJ/kg(2)忽略泵功，η=(h₃−h₄)/(h₃−h_f)=(3500−2138)/(3500−191.8)=1362/3308.2=0.412（41.2%）(3)实际焓降η_t=0.85，h₄′=h₃−η_t(h₃−h₄)=3500−0.85×1362=2342kJ/kg实际效率η′=(h₃−h₄′)/(h₃−h_f)=(3500−2342)/3308.2=1158/3308.2=0.350（35.0%）32.（制冷循环，12分）某压缩蒸气制冷循环用R134a，蒸发温度−10℃，冷凝温度40℃。压缩机入口为干饱和蒸气，出口焓h₂=430kJ/kg，等熵效率η_c=0.8。求：(1)单位质量制冷量q_L；(2)压缩机单位耗功w_c；(3)制冷系数COP。答案：查R134a表：−10℃：h₁=241.3kJ/kg，s₁=0.925kJ/(kg·K)40℃饱和液h₃=h₄=106.2kJ/kg(1)q_L=h₁−h₄=241.3−106.2=135.1kJ/kg(2)等熵压缩至s₂s=s₁，查40℃对应s=0.925，得h₂s=410kJ/kgw_s=h₂s−h₁=168.7kJ/kg实际w_c=w_s/η_c=168.7/0.8=210.9kJ/kg(3)COP=q_L/w_c=135.1/210.9=0.6433.（湿空气，13分）某空调系统将室外35℃、φ=60%的湿空气冷却去湿至20℃饱和状态，风量（干空气）为2kg/s。求：(1)初始含湿量d₁；(2)凝结水量ṁ_w；(3)需移走的冷量Q̇。答案：查饱和水蒸气表：35℃p_s=5.628kPa，20℃p_s=2.339kPa(1)p_v1=0.6×5.628=3.377kPad₁=0.622p_v1/(p−p_v1)=0.622×3.377/(101.3−3.377)=0.0215kg/kg(2)终态饱和，p_v2=2.339kPad₂=0.622×2.339/(101.3−2.339)=0.0147kg/kgṁ_w=ṁ_a(d₁−d₂)=2×(0.0215−0.0147)=0.0136kg/s(3)查焓：h₁=1.005×35+d₁(2501+1.86×35)=35.18+0.0215×2566.1=90.36kJ/kgh₂=1.005×20+d₂(2501+1.86×20)=20.1+0.0147×2538.2=57.42kJ/kgQ̇=ṁ_a(h₁−h₂)=2×(90.36−57.42)=65.88kW34.（综合开放，15分）某工厂拟利用1kg/s、400℃、1MPa的烟气（按空气处理，c_p=1.05kJ/(kg·K)）余热产生0.5MPa的饱和蒸汽。给水温度50℃，忽略热损失。求：(1)理论上可产蒸汽量ṁ_s；(2)若采用逆流换热器，烟气出口温度不得低于150℃，求实际ṁ_s；(3)计算(2)工况下㶲效率（环境温度25℃）。答案：(1)烟气放热Q̇=ṁ_gc_p(400−25)=1×1.05×375=393.8kW0.5MPa饱和蒸汽h_g=2748kJ/kg，饱和液h_f=640.1kJ/kg汽化潜热r=h_g−h_f=2107.9kJ/kg理论ṁ_s=Q̇/r=393.8/2107.9=0.187kg/s(2)烟气出口150℃，放热Q̇′=1×1.05×(400−150)=262.5kW实际ṁ_s=262.5/2107.9=0.124kg/s(3)㶲计算：烟气入口㶲流：ε_g=ṁ_gc_p[(T−T₀)−T₀ln(T/T₀)]=1×1.05×[(673−298)−298ln(673/298)]=1.05×[375−298×0.810]=1.05×133.6=140.3kW出口㶲流：ε_g′=1.05×[(423−298)−298ln(423/298)]=1.05×[125−298×0.346]=1.05×21.9=23.0kW㶲降Δε_g=140.3−23.0=117.3kW蒸汽㶲流：ε_s=ṁ_s[(h_g−h₀)−T₀(s_g−s₀)]查0.5MPa饱和蒸汽s_g=6.821kJ/(kg·K)，25℃水h₀=104.8kJ/kg，s₀=0.367kJ/(kg·K)ε_s=0.124[(2748−104.8)−298(6.821−0.367)]=0.124[2643.2−298×6.454]=0.124[2643.2−1923.3]=0.124×719.9=89.3kW㶲效率η_e=ε_s/Δε_g=89.3/117.3=0.762（76.2%）六、综合分析题（共50分）35.（20分）某联合循环发电厂由燃气轮机与蒸汽朗肯循环组成。燃气轮机参数：压比π=18，T₃=1450K，η_c=0.9，η_t=0.88，排气进入余热锅炉产生10MPa、550℃蒸汽，冷凝5kPa，汽轮机η_s=0.85。环境温度15℃。求联合循环理论总效率。答案：燃气轮机部分：T₂s=T₁π^{(κ−1)/κ}=288×18^{0.4/1.4}=288×2.046=589.3KT₂=T₁+(T₂s−T₁)/η_c=288+(589.3−288)/0.9=288+334.8=622.8KT₄s=T₃/π^{(κ−1)/κ}=1450/2.046=708.7KT₄=T₃−η_t(T₃−T₄s)=1450−0.88×(1450−708.7)=1450−652.3=797.7K燃气轮机净功w_gt=c_p[(T₃−T₄)−(T₂−T₁)]=1.005×[(1450−797.7)−(622.8−288)]=1.005×[652.3−334.8]=1.005×317.5=319kJ/kg排气热量q_H2=c_p(T₄−T_stack)，设余热锅炉窄点ΔT=20K，可推算T_stack≈380K，q_H2=1.005×(797.7−380)=420kJ/kg蒸汽部分：利用余热420kJ/kg，产生10MPa、550℃蒸汽，朗肯循环效率η_st≈0.42（同题31），蒸汽侧功w_st=η_st×q_H2=0.42×420=176kJ/kg总功w_total=w_gt+w_st=319+176=495kJ/kg总热输入q_in=c_p(T₃−T₂)=1.005×(1450−622.8)=830kJ/kg联合循环效率η_cc=w_total/q_in=495/830=0.597（59.7%）36.（15分）某科研团队提出采用CO₂跨临界动力循环回收工业余热。请从热力学角度分析其相对于传统水蒸气朗肯循环的优势与局限，并指出